哈工大曹殿学教授:用于可充电氨离子水系电池的有机阳极

研究背景

考虑到气候变化引发的日常极端天气状况，开发可再生能源的重要性是毋庸置疑的。锂离子电池(LIBs)在过去几十年发展迅速，实现了相对较高的能量密度和长周期性能。然而，有机电解质价格过高、存在安全隐患、锂资源稀缺等限制了锂离子电池的发展。水系可充电池因其安全性、可持续性和环境友好性，在大规模能源系统中显示出巨大的潜力。到目前为止，大多数水系电池采用金属离子作为载流子，如Li+，Na+，K+，Al3+，Zn2+，Mg2+。近年来，非金属铵离子(NH4+)由于其储量丰富、水合离子半径小(3.31 Å)和低摩尔质量(18 g mol-1)而被研究作为水系离子电池的载流子。与酸性电解质相比，NH4+水溶液的腐蚀性较小，析氢反应(HER)的电位较低。此外，NH4+与金属离子不同，具有优先的四面体结构。主电极材料中NH4+离子的插层化学与传统金属离子载体的插层化学不同。近年来，Ti3C2 MXene、铜铁酸铜、普鲁士白铵、V2O5、和NH4V4O10被研究作为水系氨离子电池(AAIBs)的电极材料。然而，对AAIBs的研究大多集中在无机材料上，有机材料很少被研究。

文章摘要

水系氨离子电池作为一种有效的能源策略受到了广泛的关注，但目前尚缺乏合适的负极材料。为此，哈尔滨工业大学曹殿学教授团队合成了一种具有多层纳米片结构的合成高分子材料(PNNI)作为AAIBs的阳极。PNNI含有羰基官能团，可在铵离子水溶液中可逆氧化还原，在1 M NH4Ac电解质中，在100 mA g-1下的库仑效率为93.8%。在高电流密度下，PNNI仍表现出循环性能，寿命延长。在5 A g-1下，容量保持率为80.2%，超过10000次循环。以(NH4)2Ni[Fe(CN)6] (Ni-APW)为阴极，PNNI为阳极，在1 A g-1下循环10000次后容量保持在100%左右。该合成聚合物电极材料在铵离子电池放电/充电循环过程中保持其特殊的框架结构。

该研究成果以“A Long Cycle Stability and High Rate Performance Organic Anode for Rechargeable Aqueous Ammonium-Ion Battery”为题发表在国际顶级期刊ACS Energy Letters上，通讯作者为哈尔滨工业大学曹殿学教授。

图文速递

图1

(a)NTCDA, 1,5-NDA和PNNI的FTIR光谱；PNNI的(b)1H MAS NMR和(c)13C CP MAS NMR；(d-f)PNNI的SEM；(g-i)PNNI的TEM和映射。

图2

在(a)1 M NH4Ac、(b)0.5 M (NH4)2SO4和(c)1 M NH4Cl中，-0.90 ~ 0.20 V时PNNI阳极的CV曲线和GCD曲线；(d)三种电解质的循环性能；(e和f)PNNI阳极在三种电解质中的速率性能和循环性能。

图3

(a-c)在1 M NH4Ac、0.5 M (NH4)2SO4和1 M NH4Cl中在不同扫描速率下PNNI的CV曲线；(d-f)在1.0 mV s-1下的k1值；(g)在三种电解质中在0.2 mV s-1时的CV曲线；(h-i)PNNI电极在不同电解质中的电容贡献和b值。

图4

(a)PNNI、Ni-APW和PNNI||Ni-APW在1.0 mV s-1时的CV曲线；(b)电流密度为0.1 A g-1时PNNI、Ni-APW和PNNI||Ni-APW的GCD曲线；(c)PNNI||Ni-APW的速率性能；(d)Ragone图；(e)PNNI||Ni-APW在1 M NH4Cl电解质中在1 A g-1下的循环性能。

图5

(a)PNNI在不同电位下对应SOC点的异位FT-IR光谱和异位XPS；PNNI (b)C 1s、(c)N 1s的异位XPS谱；(d)PNNI的异位FT-IR光谱；(e)PNNI的可能示意图。

研究结论

总之，本文合成了一种全新的聚合物作为AAIBs的负极材料。组装的三电极电池系统在100 mA g-1时的比容量为147.7 mAh g-1。更重要的是，在2和5 A g-1的特高电流密度下，2000次和10000次循环的容量保留率分别为90.7%和80.2%，表现出较好的长期循环性能。组装的PNNI||Ni-APW全电池在1 A g-1下循环10000次后，容量保持率稳定，接近100%。此外，FT-IR和XPS结果证实了其可逆性和稳定性。因此，PNNI作为具有长期循环性能的AAIBs阳极，促进了AAIBs的发展。

文献链接

A Long Cycle Stability and High Rate Performance Organic Anode for Rechargeable Aqueous Ammonium-Ion Battery

Shengnan Zhang，Kai Zhu，Yinyi Gao，Dianxue Cao*

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c01962

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